Numerical investigation of gas explosion phenomena in confined and obstructed channels

Etudes des phénomènes d'accélération de flammes, transition à la détonation et d'inhibition de flammes Les incidents d'explosions intervenant sur les sites industriels sont souvent accompagnés de dégâts matériels et humains importants. Les dégâts varient d’une explosion à une autre, suggérant l’existence de mécanismes capables d’aggraver le scénario d’explosion. Réduire les risques d'explosion nécessite une compréhension fine des différents mécanismes mis en jeu. Avec l’augmentation considérable de la puissance de calcul, la simulation numérique est devenu une approche incontournable pour l’étude et la compréhension de ces scénarios. Cette thèse se focalise sur les explosions de gaz initiées par un noyau de flamme subsonique. Lorsque la flamme se propage dans un environnement offrant un haut niveau de confinement et d’obstruction, ce qui est souvent le cas des sites industriels, une forte accélération de la flamme est généralement observée, accompagnée d’une augmentation de la pression. Dans certains cas, l’accélération de la flamme peut conduire à l’initiation d’une onde de détonation. Ce scénario coïncide avec une augmentation brutale de la surpression et donc une aggravation des dégâts observés. Pour reproduire des conditions de confinement et d’obstruction représentatives des sites industriels, l’université de Munich TUM a équipé une chambre confinée de 5.4m de long d’une série d’obstacles et analysé l’impact de ces obstructions sur la propagation de déflagrations hydrogène/air. Cette étude expérimentale a montré une forte influence de la richesse du mélange sur l’accélération de la flamme. Une transition à la détonation est notamment observée pour une certaine gamme de richesse. Cette configuration est donc idéale pour étudier les mécanismes d’accélération de flamme ainsi que les conditions qui peuvent mener à l’initiation de détonations. Une étude numérique des deux scénarios a été menée mêlant simulations directes (DNS) et simulations aux grandes échelles (LES):-Pour un mélange d’hydrogène/air pauvre, une forte accélération de la flamme est observée expérimentalement sans transition à la détonation. Les grandeurs caractéristiques de l’explosion ont été reproduites avec des simulations aux grandes échelles (LES). Plusieurs mécanismes d’accélération de flamme ont été identifiés et attribués au haut niveau de confinement et de congestion dans la chambre. Le couplage de ces mécanismes explique les grandes vitesses de propagation observées. -Pour un mélange stoechiométrique, une transition à la détonation est observée. Cette thèse s’est focalisée sur les instants précédant l’initiation de la détonation afin de caractériser les conditions nécessaires pouvant mener à cet événement soudain, en se basant sur une approche de simulation directe (DNS). Une attention particulière a été portée à l’influence du schéma cinétique sur ce scénario. Comme constaté dans bon nombre d’incidents industriels, les mesures préventives peuvent échouer. Le cas échéant, des procédures visant à contrôler l’impact des explosions doivent être utilisées pour éviter une catastrophe de grande ampleur. L’utilisation d’inhibiteurs chimiques est une technique qui a déjà fait ses preuves contre les feus. Elle consiste à injecter des poudres capables de réagir chimiquement avec la flamme et de réduire son taux de dégagement de chaleur. L’étude de l’interaction de ces particules solides avec la flamme correspond au deuxième volet de cette thèse. Un modèle simplifié de décomposition de ces particules solides (HetMIS) a été développé dans un contexte LES. Deux aspects ont été explorés : 1) l’interaction unidimensionnel flamme/particule a permis d’établir un critère, basé sur la taille des particules, caractérisant l’efficacité des poudres dans le processus d’inhibition; 2) l’effet de la distribution spatial des particules sur la propagation de la flamme est analysé dans le but d’apporter une explication à certains résultats expérimentaux révélant un effet opposé des inhibiteurs dans certaines conditions.